L'hydrogène (H₂) est un carburant prometteur et un bon moyen de stockage des énergies renouvelables qu'il restituera ultérieurement par combustion avec de l'oxygène moléculaire (O₂) au sein de piles à combustibles. Son empreinte carbone sera alors nulle : cette réaction ne produit que de l'eau ! L'hydrogène vert peut ainsi être produit à partir de l'eau et de l'énergie solaire dans un processus imitant la photosynthèse. La durabilité de cette technologie à venir repose toutefois sur le développement de nouveaux matériaux à la fois actifs, stables et basés sur des éléments abondants et bon marché. 

Dans le cadre de l'initiative « Make Our Planet Great Again », des chercheurs du CEA-Irig, en collaboration avec l'Institut néel et l'EPFL,  ont fait un pas de plus vers la préparation d'une photo-électrode durable pour la production d'hydrogène. Elle repose sur une architecture hybride, basée sur un semi-conducteur de type p qui absorbe la lumière et qui est interfacé avec un catalyseur moléculaire. L'ensemble ne renferme que des éléments non toxiques et retrouvés en quantité abondante dans la croûte terrestre.

La stratégie consiste à utiliser un oxyde mixte semi-conducteur composé de fer et de cuivre pour absorber la lumière visible et générer un flux d'électrons depuis l'électrode où il est déposé jusqu'à sa surface avec une solution aqueuse. Ce matériau, composé uniquement d'éléments abondamment trouvés sur Terre, a été protégé de la corrosion par une fine couche d'oxyde de titane (TiO₂) amorphe (non cristalline) de moins de 10 nm d'épaisseur déposée par Atomic Layer Deposition (ALD), un procédé de référence utilisé pour déposer des films très minces. Cette fine couche de TiO₂ permet également le transfert d'électrons vers un catalyseur moléculaire, une cobaloxime greffée à sa surface. Ce catalyseur et son greffage ont été précédemment mis au point et décrits par ces chercheurs.

La collaboration avec des chercheurs de l'institut Néel et de l'EPFL a permis une caractérisation détaillée de l'architecture de cette photo-électrode et une meilleure compréhension de ses performances. Cette photo-électrode hybride est ainsi capable de produire de l'hydrogène à partir de solutions aqueuses lorsqu'on lui applique un potentiel beaucoup plus positif que ce que demande la thermodynamique pour l'électrolyse de l'eau. Cette valeur permet de quantifier la capacité du système à stocker l'énergie solaire sous forme d'hydrogène. Le photo-courant généré est un autre paramètre important qui quantifie quant à lui la fraction des photons réellement convertis et donc la vitesse de production d'hydrogène. Globalement, le photo-courant généré et la valeur du potentiel d’apparition de ce photo-courant confèrent à cette architecture hybride des performances très prometteuses qui se comparent bien avec celles d’autres systèmes récemment décrits à base de silicium ou d’oxydes de cuivre.

De futurs travaux viseront à améliorer les performances de la photocathode et à l'intégrer dans un système photo-électrochimique complet, comportant une photo-anode capable de produire des électrons et des protons à partir d'eau et d'une partie complémentaire du spectre solaire pour effectuer une production autonome d'hydrogène solaire.